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“垃圾dna”或是编码dna的“卫士”
文章来源：中国科学报
作者：转发
发布时间：2017-06-06 11:27
导读：“垃圾dna”的概念是在上世纪70年代提出来的，用来形容那些基因组中不是编码蛋白质的dna序列，而在学术上被称为非编码dna序列。
“垃圾dna”的概念是在上世纪70年代提出来的，用来形容那些基因组中不是编码蛋白质的dna序列，而在学术上被称为非编码dna序列。
由于当时的科学家普遍认为有生物学意义的蛋白质才是决定生物性状的关键，而且也没有一种好的理论和技术手段来解释这些“垃圾”存在的原因，于是“垃圾dna”这一观念便形成并且逐渐根深蒂固，也一直影响着人们对于基因组的认识与研究工作。
非编码dna“开关说”有待完善
2012年9月5日，来自5个国家32个科研机构的442名科学家，以在著名学术期刊nature、genome biology和genome research上同时发表30篇论文的方式，向世人展示他们的研究成果。他们研究的对象就是那些曾经被认为没有生物学意义的“垃圾dna”。
科学家们发现，人类基因组中包含多达400万个基因开关和功能调节因子，它们就在被人们认为是“垃圾”而不予理睬的dna中。这强烈地冲击了“dna序列=生物性状”的传统观点。每个基因对应着差不多200种各类型的调节方式，而不同的调节方式又决定着生物性状的差异，那么真正影响生物性状的，或者说生物精髓的就不该是dna序列，而是那些丰富的调节方式。
这一发现为人类认识疾病提供了新的思路。疾病的发生，也许并不是某些基因的缺陷，而是复杂的调控网络出现了紊乱；人与人个体的差异，恰恰也是源于这种调控网络间的差异。因此，同一种手段去干扰这种网络，自然会得到不同的结果。伴随着这种机制的逐渐揭示，个体化医疗也将必然走进人们的视野中，传统的医疗模式或许将被逐渐淘汰，代之以个体医疗模式，疾病预测和治疗手段也将更加个性化、精确化。
也就是说，人们已经认识到，这些非编码dna虽然不直接编码蛋白质，却是负责调控一些基因表达的“开关”。
但常州大学生物医学工程与健康科学研究院教授邱国华认为，这种基因表达的“开关”，并不能很好地解释非编码dna的两大特征：第一，随着生物个体进化的复杂性的增加，非编码dna在基因组中所占的比例也逐渐提高，即非编码dna的含量和生物的复杂性成正比，例如在人类的基因组中占了98.5%；第二，非编码dna在（椭）球型细胞核里基因组的立体结构中的独特位置，即编码蛋白质的编码dna处于核心位置，而不编码蛋白质的非编码dna则处于基因组的外周，而且越是外周的位置，编码dna越少，非编码dna越多。
非编码dna的保护作用
利用前人的实验数据和详实确凿的证据，邱国华单独撰写并在著名毒理学期刊《突变研究—突变研究评述》发表了两篇有关非编码dna功能的文章，分别从抵抗辐射和外源核酸入侵所引起的dna损伤的角度，阐述了非编码dna在对基因组和编码dna的保护中起着重要的作用，首次提出了非编码dna保护基因组和编码dna的观点，而这种功能与非编码dna的含量和定位密切相关。
邱国华解释说，在细胞受到辐射时，因为水分的存在，辐射的能量在细胞质里产生自由基。辐射的能量和自由基穿过细胞核时，处于外周的非编码dna组成的异染色质像“保镖”挡子弹一样，为处于核心位置的蛋白质编码dna减少辐射的能量和自由基，从而减少对蛋白质编码dna的损伤，也就是减少了对生物体的伤害；同时，自由基在非编码dna区域所产生的dna损伤，则会以“染色体外环形dna”的形式，排到细胞质里，然后被核酸酶降解。因此，在细胞受到辐射时，编码dna受到了非编码dna的双重保护：阻挡和排出。
此外，细胞在抵御外源核酸的入侵如病毒感染时，病毒核酸在受到上述策略的抵抗之前，它们可能在细胞质里受到非编码dna所产生的小分子rna的干扰，如被降解和失活等。因此，在细胞受到病毒感染时，编码dna受到非编码dna的三重保护：“长程的”小分子rna的降解和失活（在细胞质），“短程的”保镖阻挡以及排出（在细胞核）。
人们已经发现，非编码dna与生物个体（包括人类）的健康有着密切的关系。例如，随着年龄的增长，非编码dna及其构成的异染色质会逐渐减少，因此，对病毒感染和辐射（如紫外线）的抵抗力就减弱。另一方面，人为地减少非编码dna的生物个体受到辐射后，其dna的损伤加大，得癌症的几率增加，寿命减短；而具有较多异染色质的生物个体则能更好地抵御病毒的感染和辐射的照射，寿命也更长。邱国华认为，这些结果就是非编码dna保护作用的体现。